封面 | 探究硅基光开关切换延时芯片的延时抖动来源，有新发现！

封面解析：本封面形象地展示了硅基光开关切换延时芯片的结构，其由多个2×2光开关与多根不同长度的延时光波导级联构成，通过光开关切换可以选择不同的片上延时路径，从而实现不同延时量切换。坐标图展示了在不同延时路径下测量得到的延时量分布，结果表明，芯片插损、输入/输出光栅耦合器封装、延时线内部残余马赫-曾德尔干涉都将降低硅基光开关切换延时线芯片的片上延时测量稳定性。（注：为使封面整体美观，芯片内光开关及波导尺寸并未严格按实际比例来展示）

《光学学报》2022年第20期封面文章 | 史上清; 刘鹏程; 恽斌峰; 硅基光开关切换延时芯片延时测量稳定性研究[J].光学学报, 2022, 42 (20):2013001.

导读：宽带、延时精度高的硅基光开关切换延时芯片是光控相控阵雷达波束形成的核心元件，对其片上延时量精确测量是该芯片应用的必要条件。东南大学恽斌峰教授课题组采用光矢量网络分析（OVNA）技术实验分析了芯片插损、光栅耦合器封装、残余马赫-曾德干涉对片上延时测量稳定性的影响，阐明了片上延时测量抖动的来源，为该类芯片的设计、加工和封装指明了优化方向。

1、研究背景

光学真延时技术可以有效消除传统相控阵雷达、电子战、毫米波多输入多输出（MIMO）系统中电移相器导致的波束“斜视”效应，硅基光开关切换延时芯片是该技术小型化和实用化的核心芯片之一，已被国内外广泛报道，但是这些报道中测量得到的片上延时通常都有约皮秒（ps）量级的延时抖动，限制了该类芯片的定标和应用。

这些延时测量抖动来自哪里？怎样才能减小？国内外还没有相关报道。因此，阐明这些片上延时测量抖动的来源，是该类芯片性能进一步优化的必经之路。

2、基于OVNA的片上延时测量稳定性研究

为了探究硅基光开关切换延时芯片延时测量过程中的延时抖动来源，东南大学恽斌峰教授课题组搭建了高精度的光矢量网络分析测试系统（图1），采用高该系统的分辨微波频率扫描和高精度幅相检测，实现了亚皮秒的系统延时分辨率。

图1 光矢量网络分析测试系统

基于2×2MZI光开关级联SOI延时光波导，设计并制备了5bit硅基光开关切换延时芯片，并采用光栅耦合方式进行了封装（图2），分别对OVNA延时测量系统本身、参考直波导以及光开关切换延时线的延时稳定性进行了实验研究。

图2 硅基光开关切换延时线芯片及模块结构

测试结果表明：（1）随着链路射频增益的降低，OVNA系统、参考直波导以及延时线的延时测量抖动增大，表明器件插损将大大降低OVNA系统延时测量信噪比，进而恶化延时测量稳定性[图3(a)和3(b)]；（2）当链路射频增益一致时，延时测试链路、参考直波导以及延时线的延时测量稳定性是逐渐恶化的，因此光栅耦合封装以及延时线内部光开关有限消光比导致的非对称马赫-曾德干涉，是除了插损外，影响延时线芯片延时测量稳定性的主要原因[图3(c)]。

图3 延时测试链路、参考直波导以及延时线的相对延时量及透射光谱测试结果。（a）相对延时波动与射频增益的关系；（b）相对延时量波动的标准偏差与射频增益的关系；（c）1560 nm附近的透射光谱

3、未来展望

根据该研究结论，后续将进一步研究降低芯片的光输出耦合损耗和干涉的高效封装技术，同时探索实现更大消光比光开关的设计与制备技术，从而降低光开关切换延时芯片的延时波动，提高芯片整体性能，推动其在微波光子雷达以及超宽带无线通信等领域中的应用。

科学编辑：史上清; 刘鹏程; 恽斌峰

编辑：张浩佳